Fusion af stærke lasere

Kernefysik involverer normalt høje energier, som illustreret ved forsøg med at mestre kontrolleret atomfusion. Et af problemerne er, hvordan man overvinder den stærke elektriske frastødning mellem atomkerner, som kræver høje energier for at få dem til at smelte sammen. Men fusion kunne initieres ved lavere energier med elektromagnetiske felter, der genereres, for eksempel, ved hjælp af topmoderne gratis elektronlasere, der udsender røntgenlys. Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) beskriver, hvordan dette kunne gøres i tidsskriftet Fysisk gennemgang C .

Under atomfusion smelter to atomkerner sammen til en ny kerne. I laboratoriet kan dette gøres ved hjælp af partikelacceleratorer, når forskere bruger fusionsreaktioner til at oprette hurtige gratis neutroner til andre eksperimenter. I en meget større skala, tanken er at implementere kontrolleret fusion af lyskerner for at generere strøm - med solen som model:dens energi er produktet af en række fusionsreaktioner, der finder sted i dens indre.

I mange år, forskere har arbejdet med strategier til at generere strøm fra fusionsenergi. "På den ene side ser vi på en praktisk talt ubegrænset strømkilde. På den anden side, der er alle de mange teknologiske forhindringer, som vi vil hjælpe med at overvinde gennem vores arbejde, "siger professor Ralf Schützhold, Direktør for Institut for Teoretisk Fysik ved HZDR, beskriver motivationen for sin forskning.

Tunnel på et højt niveau, snart tilgængelig

For at udløse atomfusion, du skal først overvinde den stærke elektriske frastødning mellem de identisk ladede atomkerner. Dette kræver normalt høje energier. Men der er en anden måde, forklarer medforfatteren af ​​undersøgelsen, Dr. Friedemann Queißer:"Hvis der ikke er nok energi til rådighed, fusion kan opnås ved tunneling. Det er en kvantemekanisk proces. Det betyder, at du kan passere (dvs. tunnel) gennem energibarrieren forårsaget af nuklear frastødning ved lavere energier. "

Dette er ikke en teoretisk konstruktion; det sker virkelig:Temperatur- og trykforholdene i solens kerne er ikke tilstrækkelige til direkte at overvinde energibarrieren og sætte brintkerner i stand til at smelte sammen. Men fusion sker ikke desto mindre, fordi de herskende forhold tillader, at fusionsreaktionen opretholdes takket være et tilstrækkeligt stort antal tunnelprocesser.

I deres nuværende arbejde, HZDR -forskerne undersøger, om kontrolleret fusion kan lettes ved hjælp af tunnelprocesser ved hjælp af stråling. Men det er også et spørgsmål om energi:jo lavere den er, desto mindre er sandsynligheden for tunneling. Indtil nu, konventionel laserstråleintensitet var for lav til at udløse processerne.

XFEL og elektronstråler til at hjælpe fusionsreaktioner

Alt dette kan ændre sig i den nærmeste fremtid:Med røntgenfrie elektronlasere (XFEL) er det allerede muligt at opnå effekttætheder på 10^20 watt pr. Kvadratcentimeter. Dette svarer til cirka tusind gange energien fra solen, der rammer jorden, koncentreret på overfladen af ​​en cent øre. "Vi går nu videre til områder, der antyder muligheden for at assistere disse tunnelprocesser med stærke røntgenlasere, "siger Schützhold.

Ideen er, at det stærke elektriske felt, der forårsager kernernes frastødning, overlejres med et svagere, men hurtigt i forandring, elektromagnetisk felt, der kan produceres ved hjælp af en XFEL. Dresden -forskerne undersøgte processen teoretisk til sammensmeltning af hydrogenisotoper deuterium og tritium. Denne reaktion anses i øjeblikket for at være en af ​​de mest lovende kandidater til fremtidige fusionskraftværker. Resultaterne viser, at det burde være muligt at øge tunneleringshastigheden på denne måde; et tilstrækkeligt stort antal tunnelprocesser kan i sidste ende lette en vellykket, kontrolleret fusionsreaktion.

I dag, blot en håndfuld lasersystemer rundt om i verden med det nødvendige potentiale er flagskibene i store forskningsfaciliteter, ligesom dem i Japan og USA - og i Tyskland, hvor verdens stærkeste laser af sin type, den europæiske XFEL, findes i Hamburg -området. På Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) placeret der, eksperimenter med unikke ultrakorte og ekstremt lyse røntgenblink er planlagt. HZDR er i øjeblikket i gang med at konstruere HIBEF.

Dresdens stærke feltfysikeres næste trin er at dykke endnu dybere ned i teorien for bedre at forstå andre fusionsreaktioner og være i stand til at vurdere deres potentiale for at hjælpe tunnelingprocesser med stråling. Analoge processer er allerede blevet observeret i laboratoriesystemer, såsom kvantepunkter i fysik i fast tilstand eller Bose-Einstein-kondensater, men i atomfusion afventer eksperimentelt bevis stadig. Tænker endnu længere frem, forfatterne af undersøgelsen mener, at andre strålingskilder muligvis kan hjælpe med tunnelprocesser. De første teoretiske resultater på elektronstråler er allerede opnået.